تصميم جهاز تحديد المدى بالليزر للاستخدام في السيارات
الملخص : يتضمن قياس المسافة بالليزر ثلاث طرق: تحديد المدى بالنبضة، وتحديد المدى بالليزر الطوري، وتحديد المدى بالليزر النبضي الطوري. تشمل المبادئ الهيكلية لجهاز تحديد المدى بالليزر البسيط معادلة تحديد المدى، وعاكس الليزر، وواجهة الليزر. إن تجهيز المركبات بأجهزة تحديد المدى بالليزر لا يعزز السلامة فحسب، بل يوفر أيضًا إمكانيات لأجهزة القياس الذكية في المركبات.
الكلمات المفتاحية : قياس المسافة بالليزر؛ جهاز تحديد المدى بالليزر؛ نظام تحديد المدى بالليزر
- مقدمة
مع التطور السريع لصناعة السيارات ووسائل النقل العام، يتم تجهيز المركبات بأجهزة علمية متقدمة، وهي ممارسة في مرحلة تجريبية بالفعل في البلدان المتقدمة. سواء كان الأمر يتعلق بتطوير أنظمة تحذير الاصطدام، أو أنظمة التحكم التلقائي في السرعة، أو أنظمة التوجيه الذاتي النهائية للمركبات، فيجب الحصول على معلومات في الوقت الفعلي، بما في ذلك مسافات الطرق والسرعات النسبية. تقدم هذه الورقة البحثية استخدام الليزر لقياس المسافة والمبادئ الهيكلية لجهاز تحديد المدى بالليزر البسيط.
- المبادئ والآليات
يتضمن قياس المسافة بالليزر ثلاث طرق: قياس المدى النبضي، وقياس المدى بالليزر الطوري، وقياس المدى بالليزر النبضي الطوري. قياس المدى النبضي هو تقنية تعتمد على قياس زمن انتشار شعاع الليزر النبضي لتحديد المسافة. إذا واجه شعاع الليزر النبضي جسمًا على طول مسار انتشاره، فإنه ينعكس مرة أخرى. من خلال قياس الزمن، يتم تحديد المسافة التي يقطعها الشعاع. ت من لحظة الانبعاث إلى الانعكاس العائد إلى نقطة الانبعاث، المسافة ل يمكن حساب قيمة الكائن باستخدام الصيغة: L = ct/2 ، حيث ج هي سرعة الضوء ( c = 2.9991x 10 8 متر/ثانية ). طرق تحويل الزمن مباشرة ت تتضمن قراءات المسافة ما يلي: (أ) طريقة رقمية تحسب تردد النبض بمقدار 150 ميجا هرتز (كل قراءة تقابل مترًا واحدًا)؛ (ب) طريقة تناظرية تحول الوقت ت في شاشة عرض كمية كهربائية. دقة النطاق النهائية باستخدام طريقتي القياس هاتين هي تقريبًا ج/2 (أين ط هو عرض نبضة الليزر). عندما ت تبلغ سرعة النبضة 10 نانوثانية، والتسامح حوالي 15 مترًا. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع العداد بمستوى تشغيل معين، ولا تكون سعة النبضة المرتدة ثابتة، مما يتسبب في سقوط نقطة تشغيل العداد في مواضع مختلفة على مقدمة النبضة، مما يؤدي أيضًا إلى حدوث أخطاء في وقت القياس ويؤثر على دقة النطاق. يمكن ملاحظة أن نطاق النبضة به أخطاء كبيرة ولا يصلح للقياسات قصيرة المدى.
يتطلب تحديد المدى بالليزر الطوري، المعروف أيضًا باسم تحديد المدى الدقيق، وضع عاكس زاوية (عاكس رجعي) عند نقطة القياس، وهو غير مناسب أيضًا لقياس المسافة بين المركبات المتحركة.
يشير مصطلح قياس الطور النبضي إلى تقنية تستخدم كل من الليزر النبضي وإشارات الموجات المتذبذبة عالية التردد، في مزامنة صارمة، لتحقيق قياس دقيق. يتم تحديد دقة المسافة المقاسة من خلال طول موجة الموجة المتذبذبة عالية التردد ودقة قياس الطور.
يقوم مذبذب رئيسي عالي التردد بإنشاء إشارة تذبذبية عالية التردد بفترة ت وطول الموجة λ ، والذي يتم بعد ذلك تقسيمه تردديًا للتحكم بشكل متزامن في نبضة الانبعاث.
الفترة الزمنية بين نبضة الانبعاث وإشارة النبضة العائدة هي t ، وهو أيضًا الوقت الذي تستغرقه نبضة الليزر للانتقال من وإلى المسافة ل ليتم قياسها. خلال هذا الوقت، تتغير أيضًا مرحلة التذبذب عالي التردد بمقدار ψ . هناك تطابق بين المسافة والزمن والطور. تتضمن القيمة جزأين: مضاعف عدد صحيح لـ 2π ، وهو ما يتوافق مع مسافة ك/2 (أين λ هو طول موجة المذبذب)؛ وجزء أقل من π ، المقابلة للمسافة ΔL (وهو أقل من λ )، يتم حسابها على النحو التالي ΔL = λΔψ/(4π) . المسافة المقابلة لـ ك يتم قياسها باستخدام طريقة تحديد المدى النبضي، في حين أن المسافة المقابلة لـ Δψ يتم قياسه باستخدام طريقة الطور.
- الأجهزة والمعدات
يتم توضيح التشغيل الأساسي لجهاز تحديد المدى بالليزر في الشكل 1.
الشكل 1. المبادئ الأساسية لأجهزة تحديد المدى بالليزر
3.1 معادلات النطاق
إن أهم أداء لجهاز تحديد المدى بالليزر هو قدرته على قياس المسافة. معادلة تحديد المدى العملية هي:
حيث R هي قدرة تحديد المدى لجهاز تحديد المدى و K هو معامل يأخذ في الاعتبار شكل المجال البعيد لليزر المنبعث وجميع الأخطاء في التتبع والهدف.
يمكن لهذا النظام قياس مسافات تتراوح من 30 إلى 70 مترًا بدقة ±2 متر. عند تركيبه في مركبة، يعرض المسافة بين المركبة والمركبة السابقة، مما يضمن السلامة. إلى جانب أنظمة الكبح والإنذار الأوتوماتيكية، يحافظ على مسافة آمنة دنيا في جميع الأوقات. عند تطبيقه على الطرق الجبلية أو الوعرة الأخرى، نظرًا لزاوية تغطية الإشارة التي تزيد عن 30 درجة، يمكنه حتى اكتشاف العوائق المنحنية أمام المركبة.
كما يمكن لهذا النظام توجيه السيارة بأمان حول أي عوائق غير مرئية. وخلال الليل أو في ظل ظروف الطقس السيئة، يمكن للنظام، جنبًا إلى جنب مع المصابيح الأمامية، اكتشاف العوائق غير المرئية للعين البشرية. ويبلغ زمن الاستجابة لعرض المعلومات أو التحكم التلقائي في السرعة 0.2 ثانية. وهذا الإطار الزمني القصير كافٍ لمنع الاصطدامات.
